Директор-Инфо №12'2008
Директор-Инфо №12'2008
Поиск в архиве изданий
Разделы
О нас
Свежий номер
Наша аудитория
Реклама в журнале
Архив
Предложить тему
Рубрикатор








 

Энергетическая автономия. Тепловые насосы. Часть 3

Олег Татарников

В пользе холодильника в доме уже никто не сомневается, хотя доступным этот прибор стал лишь 50 лет назад. А если в коттедже нужно тепло, то почему бы не сделать «холодильник наоборот»? И ведь делают…

Устройство холодильника основано на переносе тепла от источника, температура которого ниже температуры окружающей среды, к источнику, имеющему температуру окружающей среды (в этом случае холодильная машина служит для охлаждения или поддержания низких температур в определенном объеме — холодильной камере).

Однако при помощи той же холодильной машины тепло можно перенести и к источнику, температура которого значительно выше температуры окружающей среды. Проще говоря, если сделать «холодильник наоборот», например, закопать его «морозильную камеру» (испаритель) в землю, а нагреваемую часть (конденсатор), которая находится обычно на задней стороне холодильника, вывести в помещение, то полученное тепло можно полезно использовать для отопления. Холодильную машину, используемую таким образом, принято называть тепловым насосом. Казалось бы, и принципы работы, и устройство тепловых машин всем понятны. Почему же в быту так часто используются холодильники и так редко — тепловые машины для обогрева помещений?

Обычно в качестве аргумента против использования тепловых машин (тепловых насосов) называют их низкую эффективность по сравнению с отоплением традиционными видами топлива. Однако эффективность теплового насоса определяется так называемым коэффициентом преобразования тепла или коэффициентом температурной трансформации, который представляет собой отношение количества энергии, генерируемой насосом, к количеству энергии, затрачиваемой на процесс переноса тепла. Значение этого коэффициента в общем случае зависит от ряда факторов, в том числе от температуры источника и от температуры нагревателя, идущего к потребителю. Но в наиболее общем случае коэффициент ? 3, то есть энергия, затраченная на обогрев при помощи тепловой машины (при переносе тепла), в три и более раз меньше энергии, которую вы затратили бы на получение такого же количества тепла напрямую.

Тепловые потери

В холодной России, где на отопление зданий различного назначения (в первую очередь жилого) расходуется огромное количество энергии, одно только повышение энергетической эффективности затрат может дать весьма существенную экономию. Между тем до недавнего времени в этом вопросе у нас наблюдалось определенное, мягко говоря, недопонимание.

Например, массовое строительство бетонных теплорасточительных зданий, начавшееся в 1950–1960-х годах, и действующие с того времени по конец 1990-х годов абсурдно низкие строительные нормы на теплоизоляцию ограждающих строительных конструкций привели к тому, что, по данным Госстроя РФ, на отопление только жилых и общественных зданий у нас расходуется 64 процента всей вырабатываемой в стране тепловой энергии (в год 1,53 миллиарда Мвт·час). В полном противоречии со здравым смыслом теплоизоляция нашего жилья была не только в четыре раза ниже, чем в более теплой Швеции, но и намного ниже, чем в Германии, и в три раза ниже, чем в такой весьма теплой стране, как США.

Даже современные коттеджи, строящиеся в средней полосе России по ныне действующим СНиПам, не имеют такой теплоизоляции, как в значительно более теплой Европе, и удельный расход тепловой энергии на отопление не дотягивает до европейских норм даже для домов с низким потреблением энергии. А уж индивидуальные дома, строящиеся без соблюдения требований СНиПов в области теплозащиты, имеют еще более низкие показатели.

Как известно, здание в холодный период теряет тепловую энергию по трем основным каналам:

  • через основные ограждающие конструкции (стены, крыша, фундамент);
  • через светопрозрачные ограждения (окна, фонари);
  • с вентилируемым воздухом.

В зданиях традиционной конструкции потери тепла между этими тремя каналами разделяются приблизительно поровну. Еще недавно в качестве усиления теплоизоляции зданий предлагалось только утепление стен и крыши, что, очевидно, решает проблему тепловых потерь только на треть. Позже, с распространением так называемых «стеклопакетов», появилась возможность установки более дорогих окон с повышенным термосопротивлением и термозатворов на светопрозрачных ограждениях.

Однако последнюю треть проблемы тепловых потерь (неизбежных при необходимой вентиляции помещений) удается решать только с применением тепловых насосов в системах приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла.

Таким образом, тепловые машины позволяют избежать до трети тепловых потерь даже без использования дополнительных систем отбора тепла из окружающей среды.

По расчетам зарубежных специалистов, повышение энергетической эффективности жилья удорожает его строительство лишь на 7–15 процентов. По данным же отечественных компаний, строительство энергоэффективных домов обходится дороже на 20–30 процентов, но это связано лишь с недостаточной подготовленностью отечественного рынка строительных материалов и оборудования для строительства такого рода жилья. И основным ресурсом для снижения затрат на строительство будет комплексный подход в энергосбережении, то есть интеграция отдельных решений по утеплению здания, его отоплению, охлаждению и вентиляции в единое целое.

Геотермальные системы

Источником тепловой энергии может быть тепло как естественного, так и искусственного происхождения. В качестве естественных источников для тепловых насосов могут быть использованы:

  • тепло земли (при заглублении в грунт);
  • подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные);
  • наружный воздух.

Если внешняя температура не опускается ниже –20 °С, то, используя только атмосферный воздух, можно обеспечивать дома теплом и горячей водой с температурой подачи до +60 °С. Но, как показывает практика, наиболее эффективно для отбора тепла используются заглубленные в грунт земляные контуры. Ведь температура в глубине земли (ниже зоны промерзания) не зависит от сезона: земные недра являются бесплатным тепловым источником, поддерживающим в приповерхностном слое одинаковую температуру (около 10 °С) круглый год. Заглубленные геотермические системы сохраняют работоспособность и эффективность даже при экстремальных состояниях окружающей среды.

Земляные контуры могут быть расположены в грунте горизонтально, вертикально или наклонно. Для вертикальных или наклонных контуров бурятся скважины глубиной 10–30 метров. Для обеспечения хорошего контакта с грунтом скважины заполняют песком, а при необходимости — цементом или глиной. Если бурение по каким-то причинам невозможно или экономически неоправданно, то в грунт устанавливаются горизонтальные контуры (они должны находиться на глубине не менее 30 см ниже уровня промерзания). Кстати, в поверхностном слое земли тепло накапливается в течение лета, и эту энергию также имеет смысл использовать для отопления. Но чем ближе к поверхности находится контур, тем больше годовые колебания температуры, а на большей глубине температура более стабильна.

Можно использовать для отбора тепла и непромерзающие водные источники. Шланг для передачи тепла укладывается на дне или в донном грунте, где температура еще немного выше, чем температура воды.

В контурах циркулирует морозоустойчивая рабочая жидкость, которая переносит тепло к тепловому насосу. Циркуляционные насосы используются как для контура рабочей жидкости, так и для контура системы отопления. Для обеспечения оптимальной выработки тепла тепловые насосы комплектуются автоматизированными системами управления, которые при помощи датчиков температуры позволяют отопительной системе подстраиваться под изменения наружной температуры.

Геотермальные системы сохраняют работоспособность и эффективность даже при экстремальных температурах окружающей среды, однако автономные тепловые насосы все же наиболее эффективны в отопительных системах с невысокими температурными характеристиками — например, в комбинации с напольным водяным отоплением, которое не требует высокого нагрева и в то же время достаточно эффективно нагревает помещение и/или поддерживает в нем плюсовую температуру даже в отсутствие хозяев (например, при длительной консервации загородного дома). Если производительности теплового контура недостаточно, то для поддержания горячего водоснабжения устанавливается дополнительное оборудование (электрические подогреватели, котлы, бойлеры либо другие отопительные системы, работающие на газе или другом топливе), а также аккумуляторный бак. Установка бака-накопителя и дополнительного подогревателя обеспечит тепловому насосу и более длительный срок эксплуатации. Кстати, тепловой насос совместим почти с любой циркуляционной теплопроводной отопительной системой, независимо от типа котла и применяемого источника энергии. Таким образом, подобную геотермальную систему удобно использовать в качестве базовой системы отопления, а в случае экстремального падения температуры окружающей среды или при необходимости быстро прогреть помещение можно задействовать резервные источники тепла, использующие традиционные виды топлива или электроэнергию.

Кроме того, в качестве искусственных источников тепла для тепловых насосов в жилых домах можно использовать и субстанции менее романтичные:

  • удаляемый вентиляционный воздух;
  • канализационные стоки (сточные воды);
  • тепло от каких-либо технологических процессов;
  • другие бытовые тепловыделения.

Интересно отметить, что тепловой насос можно использовать в летний период и для кондиционирования (охлаждения) воздуха. По сути тепловая машина симметрична, и ее можно запустить в «обратную» сторону (кстати, нагревая таким образом недра и аккумулируя тепло для использования его потом в холодный период для обогрева), что повышает эффективность использования этого оборудования. Расчеты показывают, что при обычном использовании тепловые насосы дают в три раза больше тепла, чем тратится электричества для его получения, а если летом накапливать тепло, а зимой забирать, то энергии потребуется и вовсе в 6–7 раз меньше!

Срок эксплуатации земляного коллектора зависит от уровня кислотности почвы и может достигать 50–100 лет (при повышенной кислотности почвы — около 30 лет). А единственной движущейся частью системы является компрессор теплового насоса, который можно легко и дешево заменить по истечении срока его эксплуатации. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, все возможные манипуляции не требуют специальных навыков и описаны в инструкциях.

 


1 Окончание. Начало см.: О. Татарников. Энергетическая автономия. Часть I // Dиректор-Инфо. — 2008. — № 7. С. 36–40; О. Татарников. Энергетическая автономия. Часть II // Dиректор-Инфо. — 2008. — № 8. С. 38–40. Возврат